失蹤的普通物質(zhì)，終于被直接看到了？

重子物質(zhì)（baryonic matter），也就是我們?nèi)粘Ｉ钪心芙佑|到的普通物質(zhì)，只占宇宙質(zhì)量的4.9%。但就算這4.9%，也沒有全部被發(fā)現(xiàn)。不過，事情最近有了一些轉(zhuǎn)機(jī)。法國天文學(xué)家終于直接觀測到星系際溫?zé)峤橘|(zhì)，這正是失蹤的重子物質(zhì)的可能成分。

宇宙的質(zhì)量由重子物質(zhì)、暗物質(zhì)和暗能量這3大類構(gòu)成，三者分別大約占據(jù)宇宙質(zhì)量的4.9%、26.8%和68.3%。其中，暗物質(zhì)是不參與電磁相互作用的物質(zhì)，而暗能量是主導(dǎo)宇宙膨脹的能量。相較于這些特性神奇、至今仍未被我們找到的神秘組成部分，充斥在我們生活中的重子物質(zhì)，即普通物質(zhì)，則顯得平平無奇。

但是，就算是這平平無奇的普通物質(zhì)，也有30%的質(zhì)量“丟失不見”了。

丟失的質(zhì)量

目前，天文學(xué)家已經(jīng)通過兩種策略估算出重子物質(zhì)的質(zhì)量占比。

第一種策略利用了宇宙微波背景輻射。根據(jù)含宇宙學(xué)常數(shù)的冷暗物質(zhì)模型（Λ Cold Dark Matter model）對觀測到的宇宙微波背景輻射進(jìn)行推測，可以得知重子物質(zhì)占宇宙質(zhì)量的4.9%。

另一種則是對大爆炸核合成時核反應(yīng)的計(jì)算，預(yù)測重子物質(zhì)質(zhì)量占比。在此之前，由于大爆炸核合成階段的參數(shù)問題，兩種手段得出的重子物質(zhì)占比有些許差異。而近日發(fā)表于《自然》雜志的一篇論文，根據(jù)在意大利的地下核天體物理實(shí)驗(yàn)室獲得的大爆炸核合成時期的參數(shù)，修正了此前的計(jì)算。由此，兩種方法得到的結(jié)果實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一——兩種理論都告訴我們，重子物質(zhì)質(zhì)量占宇宙質(zhì)量的4.9%。

但是，這4.9%中的30%卻無法通過觀測發(fā)現(xiàn)。這就是所謂的重子缺失問題（missing baryon problem）。

根據(jù)各類天體光度和質(zhì)量的比例（即光質(zhì)比），我們就能根據(jù)宇宙中不同來源的光來估計(jì)其對應(yīng)的質(zhì)量。根據(jù)射電、光學(xué)、X射線等多波段觀測，科學(xué)家已經(jīng)明確了光致電離氣體（photoionized gas）、星系際溫?zé)峤橘|(zhì)（WHIM，warm-hot intergalactic medium）、星系（galaxies）、星系周介質(zhì)（CGM，circumgalactic medium）、星系團(tuán)內(nèi)介質(zhì)（ICM，Intracluster medium）、冷氣體（cold gas）這些重子物質(zhì)各自大致的質(zhì)量比。

然而2017年之前，上述所有物質(zhì)加起來也只占到理論預(yù)測的70%。剩余的30%就是丟失的重子物質(zhì)。考慮到觀測條件的限制，科學(xué)家認(rèn)為丟失的質(zhì)量最可能存在星系際溫?zé)峤橘|(zhì)里。也就是說，對于星系際溫?zé)峤橘|(zhì)的質(zhì)量估計(jì)可能太過于保守。

宇宙中有一張由纖維狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。其中，星系就坐落在這張網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)上，而連接這些節(jié)點(diǎn)的，就是彌散在宇宙中的星系際溫?zé)峤橘|(zhì)。這種絲線狀的物質(zhì)是溫度105K—107K的等離子體，其分布非常稀疏，溫度難以被X射線望遠(yuǎn)鏡探測到，因此當(dāng)時沒人能直接觀測到這種氣體。

倫敦大學(xué)學(xué)院的理查德·埃利斯（Richard Ellis）曾說過：“我們已經(jīng)發(fā)明的儀器中沒有能直接觀察到這種氣體的，迄今為止，這種氣體的存在仍然是一種猜想?！?/p>

浮出水面

2017年，兩組科學(xué)家分別表示，他們找到了分布在宇宙纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的星系際溫?zé)峤橘|(zhì)。

由于難以直接觀測，科學(xué)家轉(zhuǎn)而使用SZ效應(yīng)（Sunyaev-Zel'dovich effect）間接尋找星系際溫?zé)峤橘|(zhì)。SZ效應(yīng)是指，宇宙微波背景輻射的光子在和宇宙中的高能電子碰撞，即逆康普頓散射（Inverse Compton scattering），使光子獲得能量，從而改變光子能量分布。當(dāng)宇宙微波背景輻射穿過星系際溫?zé)峤橘|(zhì)時，同樣也會發(fā)生這樣的效應(yīng)。

兩個團(tuán)隊(duì)在斯隆數(shù)字巡天（Sloan Digital Sky Survey）的觀測結(jié)果中選擇了超過100萬對星系。他們將星系對之間區(qū)域中，由普朗克衛(wèi)星測得的宇宙微波背景輻射信號堆疊起來，使微弱的信號起伏可以被識別。隨后，他們利用SZ效應(yīng)對這一信號進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)這些區(qū)域的物質(zhì)密度比其他地方高，其質(zhì)量足以形成纖維結(jié)構(gòu)，從而間接發(fā)現(xiàn)了星系際溫?zé)峤橘|(zhì)。

而近日，參與了上述研究的兩組團(tuán)隊(duì)之一——巴黎薩克雷大學(xué)空間天體物理研究中心的研究團(tuán)隊(duì)，終于在X射線波段直接找到了星系際溫?zé)峤橘|(zhì)。

他們選擇了15165條已經(jīng)在斯隆數(shù)字巡天中得到確認(rèn)的大型宇宙纖維結(jié)構(gòu)，再將倫琴衛(wèi)星（ROSAT，30年前發(fā)射）得到的X射線信號堆疊起來，最終發(fā)現(xiàn)纖維位置和X射線的空間分布存在相關(guān)性。也就是說，他們檢測到了來自宇宙網(wǎng)中熱氣體的X射線，并測得其溫度約為3×106K。

首次直接觀測到星系際溫?zé)峤橘|(zhì)的結(jié)果，使得天文學(xué)家有望在將來開展更精細(xì)的探測。2019年發(fā)射的倫琴衛(wèi)星的繼任者——eROSITA——也會提供精度更高的觀測數(shù)據(jù)。伴隨著進(jìn)一步的探測，人們將能夠?qū)π窍惦H溫?zé)峤橘|(zhì)進(jìn)行更加直接、精細(xì)的觀測。屆時，星系際溫?zé)峤橘|(zhì)的含量或?qū)⒈桓膶懀切┦й櫟闹刈游镔|(zhì)也可能最終露出真容。